A che punto è l’uso della stampa 3d nel settore aeronautico?

Additive Manufacturing nel settore aeronautico: un’analisi delle opportunità e degli ostacoli attuali

Un’analisi sistematica della letteratura scientifica ha esaminato lo stato dell’additive manufacturing (AM) applicato al settore aeronautico, individuando vantaggi consolidati ma anche ostacoli significativi che ne limitano la diffusione su larga scala. Lo studio è stato condotto da Jorge Oliveira e Pedro Espadinha-Cruz, dell’Universidade NOVA de Lisboa, e si basa sull’analisi di 29 pubblicazioni ad accesso aperto indicizzate su Scopus, pubblicate tra il 2012 e il 2024.

L’obiettivo della ricerca è stato quello di fornire una mappatura dei principali temi trattati dalla comunità scientifica e di orientare i futuri filoni di ricerca attraverso un’analisi sia bibliometrica sia contenutistica.

Criticità strutturali: certificazione, ripetibilità e costi

I principali ostacoli individuati riguardano la certificazione dei componenti, la ripetibilità dei processi e gli aspetti economici della produzione. In un settore fortemente regolamentato come quello aeronautico, l’assenza di standard normativi unificati rappresenta una barriera significativa all’introduzione di parti stampate in 3D, in particolare per quelle destinate a sistemi critici per il volo.

Le pubblicazioni analizzate sottolineano la necessità di sviluppare sistemi di validazione più adatti alla produzione stratificata tipica della stampa 3D. Alcuni studi insistono sull’importanza di disporre di misurazioni di riferimento rigorose per valutare l’affidabilità dei modelli di simulazione e dei dati sperimentali, soprattutto per le parti in metallo.

Un altro tema ricorrente è la variabilità della qualità dei materiali, che si manifesta attraverso problemi di porosità interna, finitura superficiale inadeguata e tensioni residue. Questi difetti sono più frequenti nei processi basati sulla fusione a letto di polvere. Le leghe di alluminio, utilizzate per il loro favorevole rapporto resistenza/peso, richiedono interventi di post-processing per soddisfare i requisiti aeronautici.

Evoluzione storica e classificazione delle tecnologie additive

Lo sviluppo delle tecnologie di stampa 3D ha avuto inizio nei primi anni Ottanta, con le sperimentazioni sulle resine fotopolimeriche da parte di Hideo Kodama. L’invenzione della stereolitografia da parte di Charles Hull nel 1987 ha segnato l’inizio della commercializzazione delle stampanti 3D. A seguire, si sono affermate altre tecniche come la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e la modellazione a deposizione fusa (FDM).

Lo studio organizza le tecnologie attualmente in uso secondo gli standard ISO/ASTM, che distinguono tra diverse categorie: fusione a letto di polvere, deposizione diretta di energia, getto di legante, fotopolimerizzazione in vasca, estrusione di materiale, e altre.

Emergono anche sistemi ibridi, che combinano lavorazioni sottrattive come la fresatura CNC con processi additivi basati su energia diretta. Queste soluzioni ampliano la gamma di materiali lavorabili, tra cui metalli, polimeri e ceramici, rendendole adatte a diverse applicazioni nel settore aerospaziale. Nella letteratura esaminata, le tecnologie metalliche risultano prevalenti per l’importanza delle parti strutturali.

Costi e impatto ambientale: valutazioni contrastanti

Sul piano economico, gli studi presentano risultati non uniformi. Alcuni evidenziano una riduzione dei costi fino al 33% per applicazioni aeronautiche specifiche. Altri, al contrario, sottolineano costi elevati legati all’acquisto dei macchinari, ai materiali e alle lavorazioni successive alla stampa, che rendono l’adozione dell’AM meno conveniente su larga scala.

Tuttavia, l’impiego della stampa 3D appare vantaggioso per produzioni a basso volume e alta complessità, dove i costi di attrezzaggio della produzione tradizionale sarebbero poco sostenibili.

Dal punto di vista ambientale, i risultati sono più omogenei. Numerosi studi evidenziano una riduzione degli sprechi di materiale, un minor numero di passaggi di lavorazione e una diminuzione del rapporto buy-to-fly, ovvero la quantità di materiale acquistato rispetto a quello effettivamente utilizzato nella parte finale. In alcuni casi, viene riportata una riduzione del 60% nel consumo di materiale per le applicazioni metalliche. Tuttavia, tali vantaggi dipendono dalla geometria del pezzo e dal design dell’intero ciclo di vita, e possono essere annullati dall’elevato consumo energetico delle fasi di post-trattamento.

Applicazioni per la manutenzione e la produzione decentralizzata

Uno degli ambiti in cui la stampa 3D mostra una maggiore applicabilità è quello della manutenzione degli aeromobili e della produzione di parti di ricambio. Le potenzialità derivano dalla possibilità di creare inventari digitali e di attivare produzioni decentralizzate, riducendo così i tempi di attesa e limitando la necessità di mantenere scorte fisiche, soprattutto per componenti di aerei fuori produzione.

Modelli di simulazione indicano che una distribuzione della produzione sul territorio può abbattere i costi logistici e migliorare la disponibilità operativa degli aeromobili.

Processi come l’ottimizzazione topologica e la consolidazione delle parti sono fondamentali per ottenere strutture più leggere e funzionali. Questo approccio si inserisce negli obiettivi dell’aviazione commerciale, che punta alla riduzione dei consumi di carburante e delle emissioni nocive. Tuttavia, il raggiungimento di questi risultati dipende anche dalla disponibilità di competenze specialistiche, dalla maturità dei software di progettazione e dalla capacità di integrare dati in tempo reale nei flussi di manutenzione.

Prospettive di ricerca: simulazione, standard e digitalizzazione

Lo studio evidenzia aree ancora poco esplorate che potrebbero favorire una più ampia adozione dell’additive manufacturing nel settore aerospaziale. Tra queste, la sviluppo di strumenti avanzati di simulazione di processo, l’elaborazione di protocolli di qualificazione per componenti metallici e metodi di trattamento superficiale più efficienti.

Viene inoltre sottolineata la necessità di formare ingegneri con competenze specifiche nella progettazione per AM, così come l’importanza dell’integrazione di tecnologie digitali come l’intelligenza artificiale e l’Internet of Things, che possono supportare il monitoraggio automatico dei processi e la manutenzione predittiva.

Sebbene alcune autorità di regolamentazione, come l’EASA e la FAA, abbiano già avviato attività legate alla certificazione dei processi AM, la presenza di standard condivisi è ancora limitata. Il comitato tecnico ISO/TC 261, dedicato alla stampa 3D, è attualmente impegnato nella stesura di documentazione tecnica, ma una armonizzazione normativa a livello globale non è ancora stata raggiunta.

L’adozione della stampa 3D nel settore aeronautico appare sostenuta da solide basi tecniche, ma rimane ancora limitata a causa della mancanza di infrastrutture normative, strumenti digitali consolidati e condizioni economiche favorevoli. Perché la tecnologia possa diventare parte integrante della produzione aeronautica, sarà necessario intervenire su più fronti: standardizzazione, formazione, simulazione e sostenibilità dei processi.

1. Vantaggi dell’Additive Manufacturing in ambito aeronautico

2. Criticità attuali nell’adozione della stampa 3D in aviazione

3. Temi di ricerca considerati prioritari